4/27/2015

1

Module 1: Pumps

AWWA

Water System Mechanical Equipment

Types of Pumps

There are two basic categories of pumps used in water supply operations: velocity pumps and positive‐displacement pumps. Velocity pumps, which include centrifugal and vertical turbine pumps, are used for most distribution system applications. Positive‐displacement pumps are most commonly used in water treatment plants for chemical metering and for some types of small dewatering pumps. Typical uses of pumps in a water system are listed in Table 1‐1 and diagrammed in Figure 1‐1.

4/27/2015

2

FIGURE 1‐1 Uses of pumps in a water system

Velocity pumps use a spinning impeller, or propeller, to accelerate water to high velocity within the pump casing (Figure 1‐2). The highvelocity, low‐pressure water leaving the impeller can then be converted to high‐pressure, low‐velocity water if the casing is shaped so that water moves through an area of increasing cross section. This increasing crosssectional area may be achieved in two ways: The volute (expanding spiral) casing shape, as in the common 

centrifugal pump (Figure 1‐3A ), may be used. Specially shaped diffuser vanes or channels may be used, such as 

those built into the bowls of vertical turbine pumps (Figure 1‐3B).

Three designs of velocity pumps are widely used in water systems: centrifugal pumps (volute pumps), turbine pumps, and jet pumps.

Velocity Pumps

4/27/2015

3

FIGURE 1‐2 Volute centrifugal pump schematic

FIGURE 1‐3 Centrifugal pump casings

A feature distinguishing velocity pumps from positive‐displacement pumps is that velocity pumps will continue to operate undamaged, at least for a short period, when the discharge is blocked. When this happens, a head builds up that is typically greater than the pressure generated during pumping, and water recirculates within the pump impeller and casing. This flow condition is referred to by the term slip .

Velocity Pump Design Characteristics Depending on the casing shape, impeller design, and direction of flow 

within the pump, velocity pumps can be manufactured with a variety of operating characteristics.

Radial‐flow designs. In the radial‐flow (or centrifugal) pumps shown in Figures 1‐2 and 1‐3, water is thrown outward from the center of the impeller into the volute or diffusers that convert the velocity to pressure. The type of centrifugal pump commonly used in water supply practice is a radial‐flow, volute‐case type. A cutaway of a typical single‐stage pump is shown in Figure 1‐4. Centrifugal pumps of this type generally develop very high heads and have correspondingly low flow capacities.

4/27/2015

4

FIGURE 1‐4 Cutaway of a single‐stage pump

In general, any centrifugal pump can be designed with a multistage configuration. Each stage requires an additional impeller and casing chamber in order to develop increased pressure, which adds to the pressure developed in the preceding stage. A two‐stage centrifugal pump designed to produce high head is shown in Figure 1‐5.

Although the pressure increases with each stage, the flow capacity of the pump does not increase beyond that of the first stage. There is no theoretical limit to the number of stages that are possible. However, mechanical considerations such as casing strength, packing leakage, and input power requirements do impose practical limitations.

Axial‐flow designs. The axial‐flow pump shown in Figure 1‐6 is often referred to as a propeller pump. It has neither a volute nor diffuser vanes. A propeller‐shaped impeller adds head by the lifting action of the vanes on the water. As a result, the water moves parallel to the axis of the pump rather than being thrown outward as with a radial‐flow pump.

FIGURE 1‐5 Section of a two‐stage pump

4/27/2015

5

FIGURE 1‐6 Axial‐flow pump

Axial‐flow pumps handle very high volume but add limited head. Pumps of this design must have the impeller submerged at all times because they are not self‐priming.

Mixed‐flow designs. The mixed‐flow pump illustrated in Figure 1‐7 is a compromise in features between radial‐flow and axial‐flow pumps. The impeller is shaped so that centrifugal force will impart some radial component to the flow. This type of pump is useful for moving water that contains solids, as in raw‐water intakes.

Centrifugal Pumps The volute‐casing type of centrifugal pump shown in Figure 1‐8 is used 

in the majority of water utility pumping stations. A wide range of flows and pressures can be achieved by varying the width, shape, and size of the impeller, as well as by varying the clearance between the impeller and casing. The pumps can develop a head up to 250 ft (76 m) per stage, and efficiencies up to 75 or 85 percent.

FIGURE 1‐7 Mixed‐flow pump

4/27/2015

6

FIGURE 1‐8 Volute‐casing type of centrifugal pump

Initial cost is relatively low for a given pump size, and relatively little maintenance is required. However, periodic checks are advised to monitor impeller wear and packing condition.

Advantages and disadvantages vary with the type of centrifugal pump used. Some of the advantages are as follows:

wide range of capacities (available capacities range from a few gpm to 50,000 gpm [190,000 L/min]. Heads of 5–700 ft [1.5–210 m] are generally available)

uniform flow at constant speed and head 

simple construction (small amounts of suspended matter in the water will not jam the pump)

low to moderate initial cost for a given size

ability to adapt to several drive types‐motor, engine, or turbine

moderate to high efficiency at optimal operation

no need for internal lubrication

little space required for a given capacity

relatively low noise level

ability to operate against a closed discharge valve for short periods without damage

Some of the disadvantages are an efficiency that is at best limited to a narrow range of discharge flows and heads

flow capacity that is greatly dependent on discharge pressure

generally no self‐priming ability

potential for running backward if stopped with the discharge valve open

potential for impeller to be damaged by abrasive matter in water, or clogged by large quantities of particulate matter

Vertical Turbine Pumps

Vertical turbine pumps have an impeller rotating in a channel of constant cross‐sectional area, which imparts mixed or radial flow to the water. As liquid leaves the impeller (Figure 1‐9), velocity head is converted to pressure head by diffuser guide vanes. The guide vanes form channels that direct the flow either into the discharge or through diffuser bowls into succeeding stage inlets.

4/27/2015

7

FIGURE 1‐9 Turbine impeller

Turbine pumps are manufactured in a wide range of sizes and designs, combining efficiency with high speeds to create the highest heads obtainable from velocity pumps. The clearance between the diffuser and the impeller is usually very small, limiting or preventing internal backflow and improving efficiency. Efficiencies in the range of 90–95 percent are possible for large units. However, the closely fitting impeller prohibits pumping of any solid sediment, such as sand, fine grit, or silt. Turbine pumps have a higher initial cost and are more expensive to maintain than centrifugal volute pumps of the same capacity.

The major advantages of turbine pumps include the following:

uniform flow at constant speed and head

simple construction

individual stages capable of being connected in series, thereby increasing the head capacity of the pump

adaptability to several drive types‐motor, engine, or turbine

moderate to high efficiency under the proper head conditions

little space occupied for a given capacity

low noise level

The main disadvantages are high initial cost high repair costs the need to lubricate support bearings located within the casing inability to pump water containing any suspended matter an efficiency that is at best limited to a very narrow range of discharge flow and head conditions

Deep‐well pumps. For deep‐well service, a shaft‐type vertical turbine pump requires a lengthy pipe column housing, a drive unit, a drive shaft, and multiple pump stages. In this type of pump, a drive unit is located at the surface, with the lower shaft, impeller, and diffuser bowls submerged (Figure 1‐10). This type of pump requires careful installation to ensure proper alignment of all shafting and impeller stages throughout its length. Deep‐well turbines have been installed in wells with lifts of over 2,000 ft (610 m).

4/27/2015

8

FIGURE 1‐10 Deep‐well pump

Submersible pumps. Multistage mixed‐flow centrifugal pumps or turbine pumps with an integral or close‐connected motor may be designed for operation while completely submerged, in which case they are termed submersible pumps. As shown in Figure 1‐11, the entire pump and motor unit is placed below the water level in a well.

Booster pumps. Vertical turbine pumps are often used for in‐line booster service to increase pressure in a distribution system. The unit is actually a turbine pump that has the motor and pumps mounted close together and is installed in a sump. As shown in Figure 1‐12, this type of unit is commonly called a “can” pump. The sump receives fluid and maintains an adequate level above the turbine pump suction.

FIGURE 1‐11 Submersible pump FIGURE 1‐12 Turbine booster pump 

4/27/2015

9

The jet pump is classified as a velocity pump, but it operates in a somewhat different manner than the velocity pumps covered in the preceding paragraphs. As illustrated in Figure 1‐13, a centrifugal pump at the ground surface generates high‐velocity water that is directed down the well to an ejector. The partial vacuum created by the ejector then raises additional water to the surface.

The discharge of the pump is split, with part of the water going to the distribution system and part of it returning to continue the operation of the ejector. Because of this recycling, the jet pump does not have the efficiency of the centrifugal pump alone.

Jet pumps are widely used for small, private wells because of their low initial cost and low maintenance. They are rarely used for public water systems because of their relatively low efficiency.

Jet Pumps

FIGURE 1‐13 Jet pump

Reading Pump Curves A pump curve for a centrifugal pump is a graph showing the four characteristics of 

a particular pump. The four characteristics of capacity, head, required power, and efficiency are interrelated.

The graph furnished by the manufacturer for each type and style of pump generally has the following three curves:

The H‐Q curve is the relationship between the head (H), usually expressed in feet of water, and the capacity (Q, for quantity) in gallons per minute (gpm). The highest possible head that the pump can attain is when it is not pumping at all, and head drops at an ever‐increasing rate as the quantity increases.

The P‐Q curve shows the relationship between power required (P) and capacity (Q). Power is in brake horsepower, so motor efficiency must be known to determine the exact motor horsepower required.

The E‐Q curve provides the relationship between pump efficiency (E) in percent and capacity (Q). In sizing a pump, a model should be selected that provides the desired flow rate at or near the peak pump efficiency. The more efficient a pump is, the less costly it will be to operate.

4/27/2015

10

Use of a typical set of curves is illustrated in Figure 1‐14. In this case, suppose one wanted to determine the pump head, power, and efficiency when the pump is operating at 1,600 gpm. A line is first drawn upward from 1,600 gpm and the three graphs marked at the intersections. A line drawn to the left of the intersection with the E‐Q curve indicates that the pump efficiency is about 83 percent. A line drawn to the left of the H‐Q curve shows that the pump will be operating at a head of about 122 ftunder these conditions. And a line to the right of the P‐Q curve shows the brake horsepower required is about 60.

Another factor that must be figured into pump efficiency is the efficiency of the electric motor. Motors are available with various degrees of efficiency, with the more efficient ones being more expensive. Consultants often specify the overall efficiency of the pump and motor, usually called the wire‐to‐water efficiency. In this way, a manufacturer whose pump does not operate at maximum efficiency at the specified head and capacity may still meet the overall specified efficiency by supplying it with a very high‐efficiency motor.

FIGURE 1‐14 Example pump performance curve

Positive‐Displacement Pumps Early water systems used reciprocating positive‐displacement pumps powered by 

steam engines to obtain the pressure needed to supply water to customers. These pumps have essentially all been replaced with centrifugal pumps, which are much more efficient. The only types of positive‐displacement pumps used in current water systems are some types of portable pumps used to dewater excavations, as well as chemical feed pumps.

Reciprocating Pumps As illustrated in Figure 1‐15, reciprocating pumps have a piston that moves back and 

forth in a cylinder. The liquid is admitted and discharged through check valves. Flow from reciprocating pumps generally pulsates, but this can be minimized by the use of multiple cylinders or pulsation dampeners. Reciprocating pumps are particularly suited for applications where very high pressures are required, or where abrasive or viscous liquids must be pumped.

Rotary Pumps Rotary pumps use closely meshed gears, vanes, or lobes rotating within a close‐fitting 

chamber. The two most common types, which use gears or lobes, are shown in Figure 1‐16.

4/27/2015

11

FIGURE 1‐15 Double‐acting reciprocating pump

FIGURE 1‐16 Rotary pumps

Operation of Centrifugal Pumps

The procedures for centrifugal pump operation vary somewhat from one brand of pump to another. The manufacturer's specific recommendations should be consulted before any unit begins operation. The procedures described in this module are typical and will serve as a guide if manufacturer's instructions are not available.

Pump Starting and Stopping Pump Starting Centrifugal pumps do not generate any suction when dry, so the 

impeller must be submerged in water for the pump to start operating. If a pump is located above water level, a foot valve is often provided on the suction piping to hold the pump's prime (i.e., to keep some startup water in the pump). The foot valve is a type of check valve that prevents water from draining out of the pump when the pump is shut down.

The other method of maintaining pump prime is to have a vacuum connection connected to both the pump suction and the high point of the pump, as illustrated in Figure 1‐17. The priming valve automatically removes any air that accumulates and keeps the pump completely full of water at all times.

Controlling water hammer is important when a pump is being started. Large pumps are furnished with a valve on the discharge that is opened slowly after the pump gets up to speed. This way, the surge of water does not produce a serious shock in the distribution system.

Pump Stopping A check valve is usually installed in the discharge piping of small 

pumps to stop flow immediately when the pump stops. This will prevent reverse flow through the pump. However, the sudden shutdown of a pump may cause water hammer. Relief valves or surge chambers may be installed to absorb the pressure shock.

4/27/2015

12

FIGURE 1‐17 Vacuum priming system

On large pumps, the method of ensuring smooth shutdown is to close the discharge valve slowly while the pump is still running, and then shut off the pump just as the valve finally closes. In this manner, the pumping unit is eased off the system. Some form of power‐activated valve is necessary to obtain slow valve closure. Figure 1‐18 shows power‐operated discharge valves installed on large pumps. The valve operators on the valves shown in this figure are equipped with handwheels for manual operation in the event of a power failure.

Whenever power failure occurs, the motor will stop while the discharge valve is still open, so there must be a way for the valve to close very rapidly before the pump reverses itself and begins to run backward. Battery power or an emergency hydraulic system is usually provided to operate the valves in an emergency.

FIGURE 1‐18 Pump discharge valves

4/27/2015

13

Whenever a pump must be shut down for more than a short period in freezing weather, the pump and exposed suction and discharge piping must be drained of water to prevent freezing. If the pump will be out of service for an extended period of time, the pump and motor bearings should be flushed and regreased, and packing should be removed from the stuffing box. The units should also be covered to prevent moisture damage to the motor windings and bearings.

Flow Control Pumps are most often operated at constant speed. System pressure is controlled 

by having various size pumps start or stop as necessary. Throttling the discharge valve or using variable‐speed motors or pump drives are other ways to control the flow rate.

One of the major disadvantages of starting and stopping pumps as a means of controlling output is excessive motor wear. Medium‐size motors should not be cycled (i.e., started and stopped) more frequently than every 15 minutes, and larger motors should be cycled even less frequently. Frequent starting also increases power costs. If pumps must be cycled frequently, the system probably does not have adequate distribution system storage.

Throttling the discharge valve in an attempt to approximate the required system flow should be done only when elevated storage is not available or when other, smaller pumping units are out of operation. In general, throttling should be avoided because it wastes energy. It is also necessary to make sure that the valves used for throttling are appropriate for this purpose. Gate valves should not be used for throttling because the gate is loose in its guides and will vibrate when it is not fully open or shut. The best valves for throttling are plug, ball, or altitude valves. Butterfly valves can be used for throttling for short periods of time, but extended use may damage them.

If the system design requires continually varying pump discharge rates, variable‐speed drives should be provided. Numerous variable speed package drives are on the market, including continuously variable and stepped‐speed motors, as well as constant‐speed motors driving variable‐speed electrical, hydraulic, and mechanical speed reducers coupled to the pump. Pumps can also be driven by variable‐speed motors, which have either variable‐voltage or variable‐frequency controls.

Monitoring Operational Variables A primary requirement at every pumping station is to measure the 

amount of water pumped and provide a record of water delivered to the system. It is also usually necessary to monitor pressure in the system and elevated tank levels as a means of controlling the operation of the pumps. Pumping station production records also provide the basis for the plant maintenance schedule. Past records are usually reviewed to determine the need for equipment replacement.

Suction and Discharge Heads Pressure gauges should be connected to both the suction and 

discharge sides of a pump at the pressure taps supplied on the pump. The gauges should be mounted in a convenient location so the operator can monitor them frequently to check on pump performance. The pressure readings can also be electronically transmitted to a control room.

4/27/2015

14

Bearing and Motor Temperature The most common method of checking bearing and motor 

temperatures in a small to medium‐size plant is by feel. Experienced operators check pump operation by putting a hand on the motor and the pump bearing surfaces. They know how warm the surfaces normally should be. If a surface is substantially hotter than normal, the unit should be shut down and the cause of excessive heat investigated.

A more accurate way is to use an infrared heat gun to record the exact temperatures periodically to determine whether there are changes (Figure 1‐19). If there is a sudden increase in heat on any surface, the unit should be shut down until the cause is determined.

FIGURE 1‐19 Infrared heat gun used to measure motor temperature

Vibration As with temperature, experienced operators get to know the normal feel 

and sound of each pump unit. They should investigate any change they notice. Vibration detectors are sometimes used on large pump and motor installations to sense equipment malfunctions, such as misalignment and bearing failure, that will cause excessive vibration. The detectors can also be used to shut down the unit if vibration increases beyond a preset level.

Speed Monitoring the pump speed of variable‐speed pumps is important 

because these pumps may experience cavitation (the creation of vapor bubbles) at low speeds. Centrifugal‐speed switches can be installed on the pumping unit, or contacts can be provided on a mechanical speed‐indicating instrument, to sound alarms or shut off the system if the speed goes too high or too low. Other systems use a tachometer generator that generates a voltage in proportion to speed. This voltage is used to drive a standard indicator near the pump or at a remote location. Underspeedand overspeed alarms can be activated by the speed‐sensing device.

4/27/2015

15

Other items an operator should monitor include surge‐tank air levels, recording meters, and intake‐pipe screens. Pumps with packing seals should be adjusted so that there is always a small drip of water leaking around the pump shaft. Idle pumps should be started and run weekly. All operations and maintenance should be recorded in log books.

Finally, it is important that the operator remain attentive to the general condition of the pump on a day‐to‐day basis. Unusual noises, vibrations, excessive seal leakage, hot bearings or packing, or overloaded electric motors are all readily apparent to the alert operator who is familiar with the normal sound, smell, sight, and feel of the pump station. Reporting and acting on such problems immediately can prevent major damage that might occur if the problem were allowed to remain until the next scheduled maintenance check.

General Observations

Centrifugal Pump Maintenance

A regular inspection and maintenance program is important in maintaining the condition and reliability of centrifugal pumps. Bearings, seals, and other parts all require regular adjustment or replacement because of normal wear. General housekeeping is also important in prolonging equipment life.

Mechanical Details of Centrifugal Pumps Size and construction may vary greatly from one volute‐type 

centrifugal pump to another, depending on the operating head and discharge conditions for which the pumps are designed. Basically, however, the operating principle is the same. Water enters the impeller eye from the pump suction inlet. There it is picked up by curved vanes, which change the flow direction from axial to radial. Both pressure and velocity increase as the water is impelled outward and discharged into the pump casing. The major components of typical volute‐type centrifugal pumps are described in the following paragraphs.

Casing As the water leaves the impeller, it is traveling at high velocity in both 

radial and circular directions. To minimize energy losses due to turbulence and friction, the casing is designed to convert the velocity energy to additional pressure energy as smoothly as possible. In most water utility pumps, the casing is cast in the form of a smooth volute, or spiral, around the impeller. Casings are usually made of cast iron, but ductile iron, bronze, and steel are usually available on special order.

Single‐Suction Pumps Single‐suction pumps are designed with the water inlet opening at one 

end of the pump and the discharge opening placed at right angles on one side of the casing. Single‐suction pumps, also called end‐suction pumps, are used in smaller water systems that do not have a high volume requirement. These pumps are capable of delivering up to 200 psi (1,400 kPa) pressure if necessary, but for most applications they are usually sized to produce 100 psi (700 kPa) or less.

4/27/2015

16

The impeller on some single‐suction pump units is mounted on the shaft of the motor driving the pump, with the motor bearings supporting the impeller (Figure 1‐20A). This arrangement is called the close‐coupled design. Single‐suction pumps are also available with the impeller mounted on a separate shaft, which is connected to the motor with a coupling (Figure 1‐20B). In this design, known as the frame‐mounted design, the impeller shaft is supported by bearings placed in a separate housing, independent of the pump housing.

The casing for a single‐suction pump is manufactured in two or three sections or pieces. All housings are made with a removable inlet‐side plate or cover, held in place by a row of bolts located near the outer edge of the volute. Removing the side plate provides access to the impeller. The pump does not have to be removed from its base in order to have the side plate removed. However, all suction piping must be removed to provide sufficient access.

Some manufacturers cast the volute and the back of the pump as a single unit. Other manufacturers cast them as two separate pieces, which are connected by a row of bolts, similar to the inlet side plate. Units having separate backs permit the impeller and drive unit to be removed from the pump without the need to disturb any piping connections.

FIGURE 1‐20 Single‐suction pumps

In double‐suction pumps, water enters the impeller from two sides and discharges outward from the middle of the pump (Figure 1‐21). Although water enters the impeller from each side, it enters the housing at one location (usually on the opposite side of the discharge opening). Internal passages in the pump guide the water to the impeller suction and control the discharge water flow.

The double‐suction pump is easily identified because of its casing shape (Figure 1‐22). The motor is connected to the pump through a coupling, and the pump shaft is supported by ball or roller bearings mounted external to the pump casing.

The double‐suction pump is usually referred to as a horizontal splitcase pump. The term horizontal does not indicate the position of the pump. It refers to the fact that the housing is split into two halves (top and bottom) along the center line of the pump shaft, which is normally set in the horizontal position. However, some horizontal split‐case pumps are designed to be mounted with the drive shaft in a vertical position,  with the drive motor placed on top. Double‐suction pumps can pump over 10,000 gpm (38,000 L/min), with heads up to 350 ft (100 m). They are widely used in large systems.

Double-Suction Pumps

4/27/2015

17

FIGURE 1‐21 Double‐suction pump

FIGURE 1‐22 Double‐suction pump casing shape

Removing the bolts that hold the two halves of the double‐suction casing together permits the top half to be removed. Most manufacturers place two dowel pins in the bottom half of the casing to ensure proper alignment between the halves when they are reassembled. It is important that the machined surfaces not be damaged when the halves are separated.

Impeller Almost all pump impellers for water utility use are made of bronze, 

although a number of manufacturers offer cast iron or stainless steel as alternative materials. The overall impeller diameter, width, inlet area, vane curvature, and operating speed affect impeller performance and are modified by the manufacturer to attain the required operating characteristics. Impellers for single‐suction pumps may be of the open, semiopen, or closed design, as shown in Figure 1‐23.

Most single‐suction pumps in the water industry use impellers of the closed design, although a few have semiopen impellers. Double‐suction pumps use only impellers of the closed design.

4/27/2015

18

FIGURE 1‐23 Impellers

In all centrifugal pumps, a flow restriction must exist between the impeller discharge and suction areas to prevent excessive circulation of water between the two. This restriction is accomplished by wear rings. In some pumps, only one wear ring is used, mounted in the case. In others, two wear rings are used, one mounted in the case and the other on the impeller. The wear rings are identified in Figure 1‐21.

The rotating impeller wear ring (or the impeller itself) and the stationary case wear ring (or the case itself) are machined so that the running clearance between the two effectively restricts leakage from the impeller discharge to the pump suction. The clearance is usually 0.010–0.020 in. (0.25 mm–0.50 mm). Rings are normally machined from bronze or cast iron, but stainless‐steel rings are available. The machined surfaces will eventually wear to the point that leakage occurs, decreasing pump efficiency. At this point, the rings need to be replaced or the wearing surfaces of the case and impeller need to be remachined.

Wear Rings

The impeller is rotated by a pump shaft, usually machined of steel or stainless steel. A common method used to secure the impeller to the shaft on double‐suction pumps involves using a key and a very tight fit (also called a shrink fit). Because of the tight fit, an arbor press or gear puller is required to remove an impeller from the shaft.

In pumps of the end‐suction design, the impeller is mounted on the end of the shaft and held in place by a key nut. The end of the shaft may be machined straight or with a slight taper. However, removing the impeller usually will not require a press. Several other methods are also used for mounting impellers.

Shaft

4/27/2015

19

Most manufacturers provide pump shafts with replaceable sleeves for the packing rings to bear against. If sleeves were not used, the continual rubbing of the packing would eventually cause the shaft to wear and require replacement. A shaft could be ruined almost immediately if the packing gland were too tight. Where shaft sleeves are used, operators can repair a damaged surface by replacing the sleeve, a procedure considerably less costly than replacing the entire shaft. The sleeves are usually made of bronze alloy, which is much more resistant to the corrosive effects of water than steel. Stainless‐steel sleeves are usually available for use where the water contains abrasive elements.

Shaft Sleeves

To prevent leakage at the point where the shaft protrudes through the case, either packing rings or mechanical seals are used to seal the space between the shaft and the case.

Packing consists of one or more (usually no more than six) separate rings of graphite‐impregnated cotton, flax, or synthetic materials placed on the shaft or shaft sleeves (Figure 1‐24). Asbestos material, once common for packing, is no longer used as a packing material on potable water systems. The section of the case in which the packing is mounted is called the stuffing box. The adjustable packing gland maintains the packing under slight pressure against the shaft, stopping air from leaking in or water from leaking out.

To reduce the friction of the packing rings against the pump shaft, the packing material is impregnated with graphite or polytetrafluoroethylene to provide a small measure of lubrication. It is important that packing be installed and adjusted properly.

Packing Rings

FIGURE 1‐24 Packing

4/27/2015

20

When a pump operates under suction lift, the impeller inlet is actually operating in a vacuum. Air will enter the water stream along the shaft if the packing does not provide an effective seal. It may be impossible to tighten the packing sufficiently to prevent air from entering without causing excessive heat and wear on the packing and shaft or shaft sleeve. To solve this problem, a lantern ring (Figure 1‐25) is placed in the stuffing box. Pump discharge water is fed into the ring and flows out of it through a series of holes leading to the shaft side of the packing. From there, water flows both toward the pump suction and away from the packing gland. This water acts as a seal, preventing air from entering the water stream. It also provides lubrication for the packing.

Lantern Rings

FIGURE 1‐25 Lantern ring

If the pump must operate under a high suction head (60 psig [400 kPa(gauge)] or more), the suction pressure itself will compress the packing rings regardless of the operator's care. Packing will then require frequent replacement. Most manufacturers recommend using a mechanical seal under these conditions, and many manufacturers use mechanical seals for low‐suction‐head conditions as well. The mechanical seal (Figure 1‐26) is provided by two machined and polished surfaces‐one is attached to and rotates with the shaft; the other is attached to the case. Contact between the seal surfaces is maintained by spring pressure.

The mechanical seal is designed so that it can be hydraulically balanced. The result is that the wearing force between the machined surfaces does not vary regardless of the suction head. Most seals have an operating life of 5,000 to 20,000 hours. In addition, there is little or no leakage from a mechanical seal—a leaky mechanical seal indicates problems that should be investigated and repaired. A major advantage of mechanical seals is that there is no wear or chance of damage to shaft sleeves.

Mechanical Seals

4/27/2015

21

FIGURE 1‐26 Mechanical seal

A major disadvantage of mechanical seals is that they are more difficult to replace than packing rings. Replacing the mechanical seal on many pumps requires removing the shaft and impeller from the case. Another disadvantage is the fact that failure of a mechanical seal is usually sudden, accompanied by excessive leakage. Packing rings, by contrast, normally wear gradually, and the wear in most cases can be detected long before leakage becomes objectionable. Mechanical seals are also more expensive than packing.

Bearings Most modern pumps are equipped with ball‐type radial and thrust bearings. 

These bearings are offered with either grease or oil lubrication and provide good service in most water utility applications. They are reasonably easy to maintain when manufacturer's recommendations are followed, and new parts are readily available if replacement is required. Ball bearings will usually start to get noisy when they begin to fail, so that operators can plan a shutdown for replacement.

Frame‐mounted pumps have separate shafts connected by a coupling. The primary function of couplings is to transmit the rotary motion of the motor to the pump shaft. Couplings are also designed to allow slight misalignment between the pump and motor, and to absorb the startup shock when the pump motor is switched on. Although the coupling is designed to accept a little misalignment, the more accurately the two shafts are aligned, the longer the coupling life will be, and the more efficiently the unit will operate (Figure 1‐27).

Various designs of couplings are supplied by pump manufacturers. Couplings may be installed dry or lubricated. Most couplings are of the lubricated style and require periodic maintenance, usually lubrication at six‐month or annual intervals. Dry couplings using rubber or elastomeric membranes do not require any maintenance except for periodic visual inspection to make sure they are not cracking or wearing out. The rubber or elastomer used for the membrane must be carefully selected for the pump, because the corrosive chemicals used in water treatment plants could affect the life and operation of the coupling.

Couplings

4/27/2015

22

FIGURE 1‐27 Alignment of motor and pump at coupling

A well‐defined schedule of inspection and maintenance is necessary to ensure long and reliable pump service and to preserve warranty rights on new units. It is important to maintain complete records of inspections and any service performed. An operator can best evaluate pump condition by comparing the pump's current performance to its performance when it was first installed. Therefore, complete testing immediately following installation is important.

Periodic checks of the following factors will ensure maximum operating efficiency and minimum maintenance expenditures:

priming

packing and seals

bearings

vibration

alignment

sensors and controls

head (pressure gauges)

Inspection and Maintenance

Priming The pump must be checked to be sure it is primed before startup. 

Capacity will be reduced and water‐lubricated internal wear rings may be damaged if a pump is only partially primed. If a pump is primed from an overhead tank or other gravity supply, it may be started as soon as water shows at the top vent cocks. If it is primed by a vacuum pump, the action of the device itself will indicate when the casing is filled with water. Some pumps are equipped with a float switch that will not complete the circuit for starting the motor unless the pump is completely primed.

If the pump does not have a vacuum priming system, petcocks on top of the pump case should be opened routinely during operation to bleed off any air that might collect there. Continuous bleeds or air‐release valves should be installed on pumps at unattended pump stations. It is important for all valves in the suction line to be fully open.

4/27/2015

23

A stuffing box that has been correctly packed and adjusted should be trouble‐free. Packing should be inspected annually if a pump is run on a regular basis. The easiest way to accomplish this is to remove the top of the casing or the packing gland. When the packing wears or is compressed to the point where it is impossible to tighten the gland further, a new set of rings should be installed. It is generally not considered good practice to make up for wear and compression by adding new rings on top of old ones. However, the addition of one more ring may sometimes be allowed by manufacturer's maintenance specifications.

Packing

To achieve proper life, new packing must be installed with care. The following guidelines should be observed:

During disassembly, keep parts in the order in which they are removed, including the number of rings before and after the lantern ring.

Clean the stuffing box.

Check the shaft sleeve. Replace it if it is badly worn.

Use packing and sleeve material of the proper size and of a material that is compatible with the expected service. For a severe abrasive or corrosive service, consult the pump manufacturer. Although precut packing is available, most operators purchase bulk packing and cut what they need for each job.

Replace parts in the opposite order that they were removed.

Replace all packing rings. The ends of the strips used to form rings may be cut diagonally or square. They should be carefully butted, with joints staggered at least 90o . Four or more rings are usually placed with their ends at 90o intervals. Be sure to replace the lantern ring in its original sequence.

Never overtighten the packing. Draw each ring down firmly. After all of the rings are installed, back off on the gland nuts about one full turn before the pump is started. Before its initial startup with new packing, the pump should rotate fairly easily by hand unless it is very large. If it does not turn over, the packing should be loosened until it does, provided there are no other problems.

At startup, the packing should be allowed to leak freely until conditions stabilize and it is evident that there are no hot spots in the area of the packing or bearings. Then tighten the packing gland very gradually until the packing allows a slow drip.

While the pump is running, adjust the gland by tightening the gland‐bolt nuts. Tighten the nuts evenly, and tighten each nut no more than 1/6 of a turn every 20–30 minutes.

Never tighten packing glands to the point where there is no leakage. Doing so will cause premature packing wear and scored shaft sleeves.

After the initial installation and adjustment, check the packing regularly, and adjust the gland whenever leakage increases. The leakage rate should be checked daily if possible.

If cooling or sealing water is injected into the box, its flow pressure should be set to 15–20 psi (100–140 kPa) more than the pressure on the inboard end of the stuffing box. Excessive pressure will cause increased wear of the packing and sleeve.

4/27/2015

24

The operating temperature of a mechanical seal should never exceed 160o F (71o C). If there is a possibility that a seal will exceed this limit, it should be water cooled. The water can be supplied by the pump discharge or from an external source. The water must not contain dirt, grit, or other abrasive materials that could damage the seal. If, for instance, the pump is used for pumping raw water, seal water must be supplied from the filtered water system, but with adequate precautions taken to prevent a cross‐connection.

It is important that the mechanical seal is designed for the stuffing‐box pressure at which it will operate. A pump that develops a partial vacuum on the suction side must be fitted with a close‐clearance bushing between the seal and the suction passage of the pump in order to maintain lubrication, cooling, and flushing fluid at the seal.

Mechanical Seals

Regular inspection and lubrication of bearings is essential to efficient pump and motor operation. Lubrication points should be checked and lubricated at the intervals prescribed by the manufacturer. The following checks are important: oil level in bearing housings

free movement and proper operation of oil rings

proper oil flow for pressure‐feed systems

proper type of grease for grease‐lubricated bearings

proper amount of grease in the housing

bearing temperature

Bearings

Oil‐lubricated bearings. The bearing housing of oil‐lubricated bearings should be kept filled with a good grade of filtered mineral oil. The oil should be changed after the first month of operation of a new pump. After the first oil change, future oil changes should be performed every 6 to 12 months, depending on operating frequency and environmental conditions. Whenever oil is changed, and especially after the first oil change, the oil should be inspected for signs of bearing wear or excessive dirt. The following viscosities are recommended for use with various antifriction bearings: ball and cylindrical roller bearings—70 SSU (Saybolt standard units) oil rated at operating temperature spherical roller bearings‐—100 SSU oil rated at operating temperature spherical roller and thrust bearings—150 SSU oil rated at operating temperature

It is important that the bearing housing not be overfilled with oil. Most housings have the correct oil level indicated on a sight glass.

4/27/2015

25

Grease‐lubricated bearings. For grease‐lubricated bearings, similar maintenance is required. During the initial run‐in period, bearing temperatures must be closely monitored. Bearings that are running within an acceptable temperature range can be touched with the bare hand. After about 1 month of initial full‐service operation, all bearings should be regreased.

Bearings should not be overgreased. Because of the internal friction caused by the churning grease, a bearing will run hotter if the grease pocket is packed too tightly. The grease used for lubricating antifriction pump bearings should be a sodium soap‐base type that meets Anti‐Friction Bearing Manufacturer's Association group 1 or 2 classifications. Bearings should be regreased every 3 to 6 months according to the following procedures:1. Open the grease drain plug at the bottom of the bearing housing.

2. Fill the bearing with new grease until grease flows from the drain plug.

3. Run the pump with the drain plug open until the grease is warm and no longer flows from the drain.

4. Replace the drain plug.

It is not necessary to add grease to bearings between intervals unless the bearing seals are bad and grease has been lost. If bearings run hot, it is usually because the grease is packed in too tightly. In this case, the grease drain plug should be opened and some grease allowed to drain out. If the bearing has been disassembled, cleaned, and flushed, then the housing should be refilled to one‐third of its capacity.

Bearing replacement. The life of a ball bearing will vary with the conditions of load and speed. Most pump bearings have a minimum operating life of 15,000 hours (about 1 1/2 years), but they may last much longer. As a general rule, if a pump has been in operation for 1 or 2 years of continuous service, the bearings should be replaced if the pump is taken out of service for any other repairs. It is more economical to replace bearings while other work is being performed than to wait until excessive heat or noise warns that the bearings are about to fail.

Operators should exercise considerable care when removing or installing bearings. Appropriate bearing pullers and hydraulic presses should be used, especially if there is a chance that bearings will have to be reused. It is often a good policy to leave serviceable bearings mounted until replacements have been obtained. Proper installation procedures, as directed by the manufacturer, should be followed to prevent damage to new bearings during installation.

On high‐speed or large pump units, operators may use instruments to monitor vibration periodically in the vertical, lateral, and axial planes. This will give an early indication of possible future problems. When problems occur, an experienced person will usually be able to detect undesirable vibration merely by listening or touching the unit. In general, on units where periodic vibration checks will be performed, a vibration test should be conducted immediately after the pump is installed to establish a baseline condition. This test should be followed by periodic measurements of vibration at intervals recommended by the manufacturer. For critical equipment operated continuously, monthly checks may be required. Less critical equipment may be checked annually.

Vibration sensors may be installed on pumping units, or portable equipment may be used to make the measurements. Vibration readings should be taken on the shafts in or near the bearings. Any change from the baseline measurements of vibration magnitude or frequency indicates potential problems.

Vibration Monitoring

4/27/2015

26

When operators observe vibration or overheating of a bearing or coupling, they should inspect the pump's shaft coupling and impeller immediately for possible imbalance. The imbalance could be a result of the presence of foreign material caught in the impeller, the accumulation of scale, mechanical breakage, or loss of metal due to corrosion or cavitation.

Alignment Excessive vibration may also be caused by misalignment. Pumping units 

should be given an initial alignment check after they are first installed and brought up to operating temperature (often called a “hot alignment” check). This is particularly important for frame‐mounted pumps. A record should be made of the initial readings using a dial indicator gauge as shown in Figure 1‐28. Alignment should then be checked again periodically to ensure that the initial readings have not changed. Vibration due to misalignment is a common cause of bearing failures.

FIGURE 1‐28 Dial indicator alignment gauge

Pump discharge and suction heads should be checked and compared with baseline performance figures for the pump when it was first installed. Some wear will necessarily reduce performance, but major reductions in capacity should be identified and corrected before the inefficient unit begins to waste large amounts of energy. Strip or circular chart recordings of pump performance can be helpful in identifying reduced pump capacity.

Operators can check an installed centrifugal pump for wear by closing the discharge valve and then reading the discharge pressure. This pressure can be compared with the original pump characteristics, after appropriate deductions are made for suction pressure. If the shutoff head is close to the original value, the pump is not greatly worn.

Head

4/27/2015

27

Under certain circumstances, a pump can pull water so hard that some of the water turns to small bubbles of vapor. This is called cavitation, and it generally makes a sound as though there are marbles in the pump. The bubbles explode against the impeller, eroding the metal. Sometimes the consequences are only that the noise is bothersome, but over a period of time the impeller will usually be damaged.

To avoid cavitation, a pump should not be continuously operated at a rate much higher or lower than it was designed for. In addition, the suction requirements for the pump must be met. Turbine and submersible pumps must be provided with a deep enough sump to keep them submerged. Intake screens should also be routinely cleaned if necessary to avoid suction restrictions.

Cavitation

Major repair jobs that may be required for pumps at infrequent intervals include replacement of bearings, wearing rings, shaft sleeves, and impellers. These jobs all require that the pump be removed from service for a period of time. Planning is essential to ensure that the work goes smoothly and quickly. If a pump is not too large, it can be returned to the manufacturer or the utility shop for repair. If the repair must be made in the field, it is especially important to have all parts on hand before the pump is removed from service.

Care should be taken to ensure that the correct replacement parts are used. If the identical part is not available, a substitute part may be used if it meets or exceeds the standards of the original part. The parts themselves or accurate specifications can be obtained from the pump manufacturer before the repairs are begun.

In addition to replacement parts, any necessary special tools should be on hand before the job is started. For example, bearing removal will usually require a bearing puller or a hydraulic press, possibly fitted with special collars.

Major Repairs

An adequate record of equipment specifications and maintenance performed will assist the operator in scheduling inspections and needed service work, evaluating pump equipment, and assigning personnel. An appropriate system could be based on data cards like that in Figure 1‐29. Each card should list the make, model, capacity, type, date and location installed, and other information for both driver and driven unit. The remarks section should include the serial or part numbers of special components (such as bearings) that are likely to require eventual replacement.

A separate operating log should be kept, listing all pumping units along with a record of the operating hours. This record is an essential feature of any reasonable periodic service or maintenance schedule. In addition, a daily work record should be kept on each piece of equipment. The log sheet shown in Figure 1‐30 is generally appropriate for pumps and motors used in water supply.

Many water systems are now putting records such as those described here on a computer, where the information is more easily stored and accessed.

Record Keeping

4/27/2015

28

FIGURE 1‐29 Pump record card (front and back)

FIGURE 1‐30 Pump log sheet

Portable Pumps

Portable water pumps are essential to the operation and maintenance of water distribution systems. The primary use is for dewatering excavations during water main construction and repair, but other common uses include pumping out tanks, basins and meter pits.

The three types of portable pumps that are used are: submersible pumps engine‐driven centrifugal pumps diaphragm pumps.

4/27/2015

29

Electric dewatering pumps are a type of heavy duty submersible pump that is designed for rough service and handling some solids or slurries such as encountered in pumping water from an excavation (Figure 1‐31). They are often used where there is a long‐term pumping need. One of the primary advantages is that they can pump 24 hrs a day without supervision if necessary. They are also used in very deep excavations where a portable pump operating at the ground surface would not be able to draw enough suction to pull water from the bottom of the excavation.

Hydraulically‐driven submersible pumps are also available with similar advantages. They have a hydraulic drive unit powered by a gasoline or Diesel engine operated at the ground surface near the excavation, with a hydraulically‐operated pump connected with a pair of hoses. These units can operate at discharge heads up to 70 feet, and have the additional advantage of no possible electrical hazard to workers.

Submersible Pumps

FIGURE 1‐31 A 2‐in. discharge submersible dewatering pump

Portable centrifugal dewatering pumps are available in sizes ranging from gasoline engine units weighing about 12 lbs (5.4 kg) with a 1 in. (25 mm) discharge, to large Diesel‐engine driven pumps with 10 in. (250 mm) discharge. The very small units are popular for pumping out meter pits and other uses where the water is relatively clean. Larger units are designed for handling moderately‐dirty water. Trash pumps have impeller vanes that are widely spaced so that they will pass dirt, sand and small solids. The pumps are also designed to be easily opened to remove debris if they should become clogged. All pumps should be used with an inlet strainer to keep large solids from being drawn into the pump. Rags and long strings will quickly clog a trash pump.

Trash pumps having a 2 in. (50 mm) suction and discharge hoses are the most popular for general use in dewatering excavations (Figure 1‐32). Most units weigh between 50 and 75 lbs (23 to 34 kg) and the suction hose in that size is relatively easy to handle. The pumps are usually selfpriming, which means that an initial charge of water must be place in the pump case in order for the pump to draw water from a lower elevation. At sea level, the pumps will theoretically draw water from about 25 ft (7.6 m) below the pump, but under actual field conditions it is usually less. Trash pumps should not be run for extended periods of time without water in the pump case.

Portable Centrifugal Pumps

4/27/2015

30

FIGURE 1‐32 A typical 2‐in. portable trash pump

Diaphragm pumps are frequently called Sludge Pumps, Mud Pumps, or Contractor’s Pumps. Engine‐driven models have one or two diaphragms that are powered by a rod from an eccentric drive (Figure 1‐33). The continuous reciprocating motion creates alternate suction and discharge strokes. The suction side of the stroke is very powerful so the pumps are excellent for pulling water up from a deep excavation.

A primary advantage of all diaphragm pumps is that they can pump very thick sludge, slurries, abrasives, and chemicals without damage. They also can be run dry for extended periods of time without damage. Diaphragm pumps operated with compressed air are also available with similar advantages. They operate by having compressed air alternately pressurize the inner side of one diaphragm chamber, while simultaneously exhausting the other inner chamber. This causes the diaphragms, which are connected by a common rod, to move endwise.

While one diaphragm performs the discharge stroke, the other chamber is in a suction stroke. Air operated pumps can be operated at discharge heads of over 200 ft (61 m), so they are particularly useful for use in deep excavations.

Diaphragm Pumps

FIGURE 1‐33 A 4‐in. discharge diaphragm pump